Учёные создали метаматериал, распознающий суперпозицию: звуковой инструмент для квантовых исследований

Исследователи из Швейцарии разработали новаторскую акустическую систему, способную исследовать сложные физические явления, которые обычно относятся к области квантовой механики, но, на этот раз, применяя звук. Эта технология способна воспроизводить поведение материалов с высокой плотностью, создавая перспективы для новых изобретений — от улучшенных средств связи до медицинских приборов.

Система состоит из 16 модульных блоков, каждый из которых имеет размеры небольшой колонки. Внутри находятся динамики и микрофоны: первые создают звуковые волны, а вторые их анализируют. В отличие от обычных квантовых экспериментов, требующих экстремально низких температур и идеальных условий, данная система действует при комнатной температуре.

«Это как взрослый конструктор. Мы настраиваем звуковые волны так, чтобы они вели себя, подобно электронам в твёрдых телах, без угрозы разрушения их хрупких состояний», — замечает аспирант Матьё Падлевски, один из главных участников проекта.

В квантовой физике объекты могут существовать в нескольких состояниях одновременно, но при измерении это свойство теряется. Как выяснилось, звук способен сохранять «многозадачность», не разрушая наблюдений. Учёные применили этот принцип для создания акустического аналога известного парадокса «кота Шрёдингера». Их система одновременно воспроизводит и анализирует сложные частотные структуры, как если бы «кот» одновременно мяукал и мурлыкал.

Конструкция метаматериала вдохновлена устройством человеческого уха. Внутреннее ухо содержит тысячи клеток, каждая из которых резонирует на свою частоту — благодаря этому мы различаем различные голоса и музыкальные инструменты. Система функционирует аналогичным образом, позволяя усиливать определённые звуки.

У этой технологии есть и более амбициозные способы применения. К примеру, инженеры предлагают использовать подобные метаматериалы для создания акустических компьютеров. Вместо обычных битов, передающих «0» или «1», такие устройства могут обрабатывать звуковые волны как многомерные сигналы, подобно тому, как квантовые компьютеры оперируют кубитами. Это может значительно ускорить расчёты в задачах оптимизации коммуникаций или управления потоками энергии.

Уже сейчас система позволяет более точно направлять звуковые волны — будь то в наушниках с шумоподавлением или в сигналах сотовой связи. В будущем её можно будет расширять для моделирования сложных структур, таких как материалы, способные проводить энергию исключительно по поверхности. Команда из EPFL также проводит эксперименты с алгоритмами машинного обучения, чтобы «обучить» метаматериал самостоятельной адаптации к различным задачам.

Источник: iXBT